Моделирование формирования структур осаждаемых пленок и образования пыли в плазменных установках Нагель, Михаил Юрьевич

Введение к работе

Актуальность работы

В настоящее время существует значительный интерес к проблеме образования продуктов эрозии (пыли и осаждаемых пленок) в установках термоядерного синтеза. Пыль и осаждаемые пленки в токамаках играют, в основном, отрицательную роль, во-первых, в связи с накоплением дорогого и радиоактивного трития и, во-вторых, поскольку являются хорошими катализаторами при возможных прорывах воды в камеру установки и образовании взрывоопасного количества водорода.

Таким образом, продукты эрозии, образующиеся в термоядерных установках, создают серьезные проблемы для безопасности и экономичности реактора.

Поэтому, для создания термоядерного реактора необходимо знание о механизмах формирования пленок и пыли, их свойствах (температуре, рельефе пленок, заряде пылевых частиц), условиях образования пыли и пленок на стенках реактора, продолжительности их существования.

Кроме того, знание механизмов и условий образования осаждаемых пленок с тем или иным типом рельефа является важным для технологий нанесения покрытий, которые должны иметь определенный рельеф поверхности, в зависимости от назначения. Покрытия с защитными и износостойкими свойствами должны иметь гладкую поверхность. Для некоторых специальных задач, напротив, нужны пленки с как можно более развитым рельефом, например, для производства покрытий эндокардиальных кардиостимуляторов, катализаторов, газоанализаторов.

Цели работы

Целями работы является выяснение закономерностей образования и отшелушивания пленок, осаждаемых на поверхностях, контактирующих с плазмой и процессов образования, поведения и мобилизации пыли в термоядерных установках с помощью теоретических исследований и численного моделирования. Для достижения указанных целей были поставлены следующие задачи:

1. Объяснение образования осаждаемых пленок с тем или иным типом рельефа в зависимости от условий осаждения и свойств подложки на основе роста из отдельных атомов, падающих на подложку и участвующих в процессе диффузии по ее поверхности.

2. Создание численного кода, позволяющего исследовать рост осаждаемых пленок из атомов, диффундирующих по поверхности.

3. Применение созданного численного кода для нахождения оптимальных условий осаждения и распыления при разравнивании поверхности диагностических зеркал токамака.

4. Объяснение роста структур типа «пуха» на вольфрамовых поверхностях, облучаемых ионами гелия на основе роста из отдельных атомов, выбиваемых при падении ионов. Применение численного кода для моделирования роста такой структуры.

5. Теоретическое изучение процессов мобилизации пыли и отшелушивания пленок, образующихся из продуктов эрозии на стенках плазменных установок. Определение размеров мобилизуемых частиц пыли и толщины отшелушиваемых пленок.

6. Определение свойств (заряда и температуры) наночастицы пыли в плазме с учетом процесса термоэлектронной эмиссии. Изучение возможности образования пыли при конденсации пара с учетом отличия температуры образующейся пылевой частицы от температуры пара.

Научная значимость

1) Предложена модель образования осаждаемых пленок в результате диффузии адатомов по поверхности пленки. Создан численный код, позволяющий моделировать предложенные механизмы, с помощью него посчитан размер зерна поликристаллической пленки, определены условия образования различных структур пленок: «столбов», «цветной капусты».

6. 1. Предложена модель образования структур типа «пуха» на поверхности W, контактирующей с гелиевой плазмой на основе роста из отдельных атомов, выбиваемых ионами He+. Произведено численное моделирование предложенных механизмов, подтверждающее предположения модели. Объяснены основные закономерности образования «пуха»

   2. Найдены условия мобилизации пыли и отрыва пленок с поверхностей, контактирующих с плазмой. Определены размеры пыли и пленок, при которых возможны данные процессы.

   3. Найдены заряд и температура наночастицы в плазме с учетом термоэлектронной эмиссии в зависимости от параметров плазмы (температура, степень ионизации, концентрация).

   4. Найдены условия образования частиц путем конденсации пара при отличии температуры частицы от температуры пара. Показано, что при типичных для токамаков значениях параметров плазмы, образование пыли путем конденсации невозможно.

   Практическая значимость

   6. 4. 1. Найдены условия осаждения атомов и свойства подложки, при которых образуются пленки с тем или иным типом рельефа: гладкие, столбчатые структуры, фрактальные структуры, что актуально как для проблемы термоядерного реактора, так и для производства технологических покрытий для целей медицины, химической промышленности.

         2. Найдены условия мобилизации пыли и отрыва пленок, образующихся из продуктов эрозии на стенках плазменных установок.

         3. Найдены условия разравнивания поверхности металлических диагностических зеркал токамака. Показано, что наиболее эффективное разравнивание достигается при отношениях скоростей напыления и распыления, близких к единице.

         4) Найдены потенциал и температура пылевой наночастицы в плазме в зависимости от параметров плазмы. Найдены условия образования пыли путем конденсации. Показано, что при типичных для токамаков условиях такой механизм образования пыли невозможен.

         Основные положения, выносимые на защиту:

         6. 4. 3. 1. Дано объяснение рельефа пленок, образующихся при осаждении, на основе роста структур из одиночных атомов, падающих на подложку и диффундирующих по ее поверхности. Определение размера минимального кластера фрактальной структуры: r_min = 2oa³/T, где о - поверхностное натяжение, T - температура поверхности, а - атомный размер.

                  2. Результаты расчета зависимости размера зерна d поликристаллической пленки, образующейся в результате осаждения на подложку и диффузии по ней атомов того же вещества от условий осаждения выполненного с

                  применением созданного численного кода: -^ф^_1/6, где ф = qa⁴ / D, q -

                  поток осаждаемых атомов на поверхность, D - коэффициент диффузии по поверхности.

                  6. 4. 3. 3. Определенные значения параметров, характеризующих осаждение и свойства поверхности, при которых образуется тот или иной тип структур, наблюдаемых в токамаках, с помощью численного моделирования.

                           Для образования развитого рельефа поверхности - высоких объектов типа «столбов» требуется одновременное выполнение следующих условий:

                           а) Интервал температур подложки: 0.03Е_а<Т<0.7Е_а,где E_a - энергия активации диффузии по поверхности пленки.

                           б) Для роста развитых структур относительный вклад х соседних атомов второго порядка должен быть больше некоторого значения, зависящего от кристаллической структуры. Для простой кубической решетки: х > 0.2.

                           в) Отношение потока осаждаемых атомов к коэффициенту диффузии

                           также должно принадлежать определенному интервалу: 10 <ф<10" , поток атомов должен быть направленным.

                           г) Необходимо условие предпочтительного закрепления диффундирующих атомов на вершинах растущих структур, например, наличие в потоке осаждаемых атомов небольшой доли примеси (а > 0.001), с которыми атомы имеют большую энергию связи, или преимущественный рост выделенного кристаллографического направления.

                           Рост разветвленных структур типа «цветной капусты» может быть связан как с процессом осаждения (1), так и с процессом диффузии адатомов (2). Поток атомов должен быть изотропным. В первом случае (1) температура подложки должна быть мала (порядка комнатной). Кроме того, необходимо наличие начальной неровности. В случае (2), для образования подобных структур необходимо наличие в потоке атомов небольшой доли примесей: а>0.001, благодаря которым ускоряется образование зародышей ветвей и затрудняется отрыв атомов от них, а температура поверхности и поток атомов должны принадлежать определенным интервалам: 0.05E_aa : 10^-11<ф<10^-7.

                           6. 4. 3. 4. Найденные условия, позволяющие добиться разравнивания поверхности диагностических зеркал при одновременном напылении атомов того же вещества и распылении. Показано, что отношение потоков атомов и ионов должно принадлежать некоторому интервалу, зависящему от материала поверхности, ее температуры и абсолютной величины потока. Оптимальное разравнивание достигается при значениях данного отношения, близких к единице.

                                    5. Модель, объясняющая образование «пуха» на поверхности вольфрама при облучении его в гелиевой плазме за счет роста волосков пуха из адатомов, образующихся при бомбардировке ионами гелия. Результаты численного моделирования роста «пуха».

                                    6. Теоретическая модель мобилизации пыли термоударом (при ELMах, срывах), а также отрыв пленки образовавшейся из продуктов эрозии в токамаках. Расчеты размеров пылинок мобилизующихся при потоках мощности характерных для ELMов, r_min « 0.1-1 мкм и для срывов, r_min «10 нм.

                                    Расчет скорости отлетающих пылинок: v = 100 м/с - 300 м/с. Расчет толщины пленки отслаивающейся при ELMах: h ~ 1 мкм. Расчет размеров кусков (от долей мм до нескольких см), на которые рвется пленка вследствие быстрого нагрева.

                                    6. 4. 3. 7. Утверждение, что конденсации пара в виде пыли на поверхности не происходит, поскольку в условиях токамака пылинки соединяются и образуют пленку раньше, чем происходит их мобилизация.

                                             8. Самосогласованное решение уравнений баланса заряда и энергии наночастицы в плазме с учетом термоэлектронной эмиссии, из которого были определены заряд частицы в плазме и ее температура.

                                             9. Условия образования пылевых наночастиц путем конденсации пара, с учетом отличия температуры частицы Tp от температуры плазмы.

                                             Апробация работы

                                             Основные результаты представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

                                             6. 4. 3. 9. 1. 35-я международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 2008.

                                                         2. 51-я научная конференция МФТИ, Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук, г.2008.

                                                         3. 6-я Курчатовская молодежная школа,2008.

                                                         4. 7-я Научно-техническая конференция «Молодежь в науке», г.Саров,2008.

                                                         5. 36-я международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 2009.

                                                         6. 7-я Курчатовская молодежная школа,2009.

                                                         7. 8-я Курчатовская молодежная школа,2010.

                                                         8. XIVконференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью», МИФИ, 2011г.

                                                         9. 9-я Курчатовская молодежная школа,2011.

                                                         10. XV конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью», МИФИ, 2012.

                                                         11. 10-я Курчатовская молодежная школа,2012.

                                                         12. XVI конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью», МИФИ, 2013.

                                                         Публикации

                                                         По теме диссертации было опубликовано 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

                                                         Объем и структура диссертации.

                                                         Похожие диссертации на Моделирование формирования структур осаждаемых пленок и образования пыли в плазменных установках

                                                         Исследование и моделирование процессов формирования электронных пучков и их взаимодействия с поверхностью твердых тел как основа разработки прецизионного электронно-лучевого технологического оборудованияФилачев, Анатолий Михайлович

                                                         

                                                         Кинетические процессы формирования плазменных структур в поперечных наносекундных разрядах с полым катодомКобзев, Олег Вадимович

                                                         Формирование и разрушение эпитаксиальных структур при импульсном лазерном воздействииМонахов, Эдуард Валерьевич

                                                         Механизмы формирования и физико-химические свойства пленочных структур редкоземельный металл - кремний Si(III)Кузьмин, Михаил Валерьевич

                                                         

                                                         Неравновесные процессы при формировании диэлектрических слоев и влияние объемного заряда на характеристики МДП структурАвдеев Николай Алексеевич

                                                         

                                                         Совершенство структуры и свойства пленок оксида цинка, получаемых ионным распылениемИсмаилов Абубакар Магомедович

                                                         

                                                         Определение спиновой структуры тонких металлических пленок методом спин-поляризационной электронной оже-спектроскопииУстинов, Александр Борисович

                                                         

                                                         Моделирование формирования структуры глубокого выгорания в оксидном ядерном топливеЛунев Артем Владимирович

                                                         Моделирование формирования структуры глубокого выгорания в оксидном ядерном топливеЛунёв, Артём Владимирович

                                                         

                                                         Моделирование спонтанного формирования структур в одно- и двухфазных системах с энерговыделением Шарыпов Олег Владимирович